O que é epigenética

Prévia do material em texto

O que é epigenética?
Atualmente, a epigenética se refere, de modo geral, aos fenótipos e processos que são transmitidos para outras células e às vezes, a futuras gerações, mas não são o resultado das diferenças na sequência de bases do DNA. Os efeitos epigenéticos são causados por mudanças na expressão gênica resultantes de alterações à estrutura de cromatina ou outros aspectos da estrutura do DNA, como a metilação do DNA. Uma definição de um traço epigenético é: um fenótipo herdado com estabilidade resultante de mudanças na cromatina sem alterações na sequência de DNA. Alguns pesquisadores ampliaram a definição de epigenética de modo a incluir qualquer alteração da estrutura da cromatina ou do DNA que afete a expressão gênica. Aqui, usaremos a epigenética para se referir às mudanças na expressão gênica e/ou em um fenótipo que são potencialmente herdados sem alteração da sequência de bases de DNA envolvida.
Muitas mudanças epigenéticas são estáveis, persistindo por divisões celulares ou até gerações. Entretanto, as alterações epigenéticas também são potencialmente influenciadas por fatores ambientais. Por exemplo, foi demonstrado que o estresse ambiental altera a metilação do gene Bdnf do rato, que codifica um fator de crescimento importante no desenvolvimento do cérebro. A metilação do DNA foi correlacionada com a expressão de genes e os fenótipos produzidos.
Vários processos moleculares levam a mudanças epigenéticas
A epigenética altera a expressão dos genes; essas alterações são estáveis o suficiente para serem transmitidas por mitose (e, às vezes, por meiose), mas também podem ser alteradas. A maioria das evidências sugere que os efeitos genéticos são produzidos por mudanças físicas na estrutura da cromatina.
Vamos analisar três tipos de mecanismos moleculares que alteram a estrutura da cromatina e sustentam muitos fenótipos epigenéticos: (1) mudanças nos padrões de metilação do DNA; (2) modificações químicas das proteínas histona e (3) moléculas RNA que afetam a estrutura da cromatina e a expressão gênica.
Metilação do DNA
O mecanismo mais bem compreendido da mudança epigenética é a metilação do DNA. A metilação do DNA refere-se ao acréscimo de grupos metila às bases de nucleotídios. Nos eucariotos, o tipo predominante de metilação de DNA é a metilação da citosina para produzir 5-metilcitosina (Figura 21.1 A). A metilação do DNA está associada à repressão da transcrição. Ela ocorre, com frequência, nas bases citosina que estão imediatamente adjacentes aos nucleotídios guanina, chamados de dinucleotídios CpG (em que p representa o grupo fosfato que conecta os nucleotídios C e G). Nos dinucleotídios CpG, os nucleotídios citosina nas duas fitas de DNA estão em diagonal um em relação ao outro. Em geral, ambas as bases citosina estão metiladas, então os grupos metila surgem em ambas as fitas de DNA, como apresentado a seguir e na Figura 21.1 B.
Algumas regiões do DNA têm mais dinucleotídios CpG e são chamados de ilhas de CpG. Nas células de mamíferos, as ilhas de CpG estão localizadas nos promotores de genes ou próximas a estes. Essas ilhas de CpG não estão metiladas quando os genes são transcritos de forma ativa. Entretanto, a metilação das ilhas de CPG próximas de um gene leva a repressão da transcrição. As células reprimem e ativam os genes ao metilar e desmetilar as bases citosina. Enzimas chamadas DNA metiltransferases metilam DNA ao adicionar grupos metila a bases de citosina para criar 5-metilcitosina. Outras enzimas chamadas de desmetilases removem os grupos metila, convertendo 5-metilcitosina de volta para citosina
Manutenção da metilação. O fato de que as mudanças epigenéticas são transmitidas para outras células e (às vezes) para gerações futuras significa que as mudanças na estrutura da cromatina associadas aos fenótipos epigenéticos têm de ser fielmente mantidas quando os cromossomos se replicarem. Como as mudanças epigenéticas são mantidas e replicadas durante o processo de divisão celular?
A metilação de sequências CpG significa que duas bases citosina metiladas estão em diagonal uma da outra em fitas opostas. Antes da replicação, as bases citosina em ambas as fitas são metiladas (Figura 21.2). Imediatamente após a replicação semiconservativa, a base citosina na fita molde estará metilada, mas a base citosina na fita recém-replicada, não. Enzimas metiltransferases especiais reconhecem o estado hemimetilado dos dinucleotídios CpG e adicionam grupos metila a bases citosina não metiladas, criando duas novas moléculas de DNA totalmente metiladas. Dessa forma, o padrão de metilação do DNA é mantido durante a divisão celular.
Repressão da transcrição pela metilação do DNA. Como a metilação do DNA suprime a expressão gênica? O grupo metila da 5-metilcitosina se localiza no sulco principal do DNA, que é reconhecido por muitas proteínas ligadoras de DNA. A localização do grupo metila no sulco principal inibe a ligação de fatores de transcrição e outras proteínas necessárias para que ocorra a transcrição. A 5-metilcitosina também atrai algumas proteínas que reprimem diretamente a transcrição. Além disso, a metilação do DNA atrai as enzimas histona desacetilase, que removem os grupos acetila das caudas das proteínas histona, alterando a estrutura da cromatina de forma que reprime a transcrição
Modificações da histona
As mudanças epigenéticas também podem ocorrer pela modificação das proteínas histona. Nas células eucarióticas, o DNA é complexado a proteínas histona na forma de nucleossomos, que são as unidades repetidas básicas da estrutura da cromatina. Já foram detectadas mais de 100 diferentes modificações pós-tradução das proteínas histona. Muitas dessas modificações ocorrem nas caudas com carga elétrica positiva das proteínas histona, que interagem com o DNA e afetam a estrutura da cromatina. As modificações nas histonas incluem o acréscimo de fosfatos, grupos metila, grupos acetila e ubiquitina a suas caudas. Essas modificações alteram a estrutura da cromatina e afetam a transcrição dos genes.
As modificações também servem como sítios de ligação para proteínas como fatores de transcrição necessários para esse processo.
A adição de grupos acetila a aminoácidos nas caudas da histona (acetilação da histona) em geral desestabiliza a estrutura da cromatina, fazendo com que ela assuma uma configuração mais aberta e esteja associada a mais transcrição. O acréscimo de grupos metila às histonas (metilação da histona) também modifica a estrutura da cromatina, mas o efeito varia dependendo do aminoácido específico que é metilado, alguns tipos de metilação de histona estão associados a mais transcrição e outros tipos estão associados a menos transcrição. Por exemplo, a adição de três grupos metila à lisina 4 na histona H3 (H3K4me3, K representa lisina) é encontrada próxima de genes ativos na transcrição. A metilação da lisina 36 na histona H3 (H3K36me3) também está associada a mais transcrição. Por outro lado, a adição de três grupos metila à lisina 9 na H3 (H3K9me3) e à lisina 20 na histona 4 (H4K20me3) está associada à repressão da transcrição. Foi demonstrado que muitas marcas adicionais das histonas estão associadas ao nível de transcrição. Esses tipos de modificações são chamados de marcadores epigenéticos.
As modificações de histona são adicionadas e removidas por proteínas especiais. As proteínas do grupo polycomb (PcG) são um grande grupo de proteínas que reprimem a transcrição ao modificar as histonas. Essas modificações alteram a estrutura da cromatina de modo que o DNA não fica acessível para os fatores de transcrição, a RNA polimerase e outras proteínas necessárias para transcrição. Por exemplo, o complexo polycomb 2 repressivo (PRC2) adiciona dois ou três grupos metila à lisina 27 da histona H3, criando o marcador epigenético H3K27me3 que reprime a transcrição. Muitas das enzimas e proteínas que produzem marcadores epigenéticos não podem se ligar a sequências específicas de DNA por si sós. Assim, precisam ser recrutadas para alvos específicos no cromossomo.Os fatores de transcrição específicos de sequência, modificações de histona preexistente e moléculas de RNA servem para recrutar enzimas modificadoras de histona para sítios específicos.
Manutenção das modificações da histona. Durante o processo de replicação do DNA, os nucleossomos são rompidos e as proteínas histona originais são distribuídas aleatoriamente entre as duas novas moléculas de DNA. As histonas recém-sintetizadas são adicionadas para completar a formação de novos nucleossomos. A maioria dos modelos assume que após a replicação os marcadores epigenéticos permanecem nas histonas originais e estas marcas recrutam enzimas que fazem mudanças semelhantes nas novas histonas. Por exemplo, PRC2 adiciona o marcador epigenético H3K27me3 nas histonas. PRC2 tem preferencialmente como alvo histonas na cromatina que já tenha um marcador H3K27me3, garantindo que qualquer novo nucleossomo que seja adicionado após a replicação também seja metilado. Dessa forma, as modificações da histona podem ser mantidas durante a divisão celular.
Efeitos epigenéticos produzidos pelas moléculas de RNA
Novos indícios demonstram que as moléculas de RNA são importantes para produzir os efeitos epigenéticos. O primeiro descoberto e ainda mais bem compreendido exemplo de mudança epigenética mediada por RNA é a inativação do X, na qual um longo RNA não codificado chamado Xist suprime a transcrição de um dos cromossomos X nas fêmeas dos mamíferos. Outro exemplo envolve a paramutação no milho, no qual um alelo epigeneticamente alterado induz uma mudança em outro alelo que então é transmitido para gerações futuras. Diferentes mecanismos estão envolvidos nas mudanças epigenéticas pelas moléculas de RNA. No caso da inativação do X, o RNA Xist recobre um cromossomo X e então atrai a PRC2, que deposita grupos metila na lisina 27 da histona 3,
criando o marcador epigenético H3K27me3 que altera a estrutura da cromatina e reprime a transcrição.
Ocorrem outros exemplos de fenótipos epigenéticos associados a RNA pelas moléculas siRNAs que silenciam genes e elementos de transposição ao direcionar a metilação do DNA ou modificações da histona em sequências específicas de DNA. Além disso, a pesquisa demonstrou que os processos epigenéticos como metilação e modificação de histona influenciam a expressão dos microRNAs que, por sua vez, são importantes para regular outros genes. MicroRNAs também controlam a expressão de genes que produzem efeitos epigenéticos, como as enzimas que metilam DNA e modificam as proteínas histona. Não está claro como as mudanças epigenéticas baseadas em RNA são mantidas pelas divisões celulares, embora aparentemente algumas envolvam pequenos RNAs que são transmitidos pelo citoplasma.
Paramutação
Atualmente, a paramutação é definida como uma interação de dois alelos que leva a uma mudança que pode ser herdada na expressão de um dos alelos. É surpreendente que a paramutação produza essas diferenças no fenótipo sem qualquer alteração na sequência de bases do DNA do alelo convertido. O fenômeno da paramutação tem várias características importantes. Primeiro, o padrão de expressão recém-estabelecido do alelo convertido é transmitido para as gerações futuras, mesmo que o alelo que produza a alteração não esteja mais presente. Segundo, o alelo alterado agora é capaz de converter outros alelos para o novo fenótipo. E terceiro, não existem diferenças associadas de sequência de DNA nos alelos alterados. Foram descobertos vários exemplos de paramutação em diferentes organismos, e os geneticistas começaram a solucionar o mecanismo molecular desse curioso fenômeno.
Epigenética comportamental
A pesquisa mostrou que as experiências de vida, especialmente as obtidas no início da vida, podem ter efeitos duradouros no comportamento e, em alguns casos, nas gerações futuras. Os pesquisadores estão descobrindo que esses efeitos duradouros são mediados por processos epigenéticos. O número de estudos que demonstram de forma convincente que a experiência de vida altera a estrutura da cromatina é pequeno no momento (e alguns ainda são controversos), mas vários pesquisadores estão procurando por efeitos epigenéticos de experiência e seus efeitos duradouros na estrutura da cromatina e no comportamento.
Mudanças epigenéticas induzidas pelo comportamento materno. Um exemplo fascinante de epigenética comportamental é observado nos efeitos duradouros do comportamento maternal nos ratos. Uma fêmea lambe e cuida de seus descendentes, enquanto ela se curva e os amamenta. Os descendentes das fêmeas que apresentam um comportamento mais evidente de lamber e cuidar têm menos medo quando adultos e mostram respostas hormonais reduzidas ao estresse comparados com os descendentes de fêmeas que lambem e cuidam menos. 
Essas diferenças duradouras nos descendentes não são devido a diferenças genéticas herdadas de suas genitoras, pelo menos não as diferenças genéticas nas sequências de bases do DNA. Os descendentes expostos a mais lambidas e cuidados desenvolvem um padrão diferente de metilação do DNA em comparação com os descendentes com menos lambidas e cuidados. Essas diferenças na metilação do DNA afetam a acetilação das proteínas histona que persistem na fase adulta e alteram a expressão do gene do receptor de glicocorticoide, que é importante nas respostas hormonais ao estresse. A expressão de outros genes de resposta ao estresse também é afetada. Para demonstrar o efeito da estrutura da 
cromatina alterada à resposta de estresse dos descendentes, os pesquisadores introduziram um inibidor de desacetilase nos cérebros 
dos ratos jovens, que evita a remoção dos grupos acetila das proteínas histona. Após a infusão desse inibidor, as diferenças na metilação do DNA e acetilação da histona associadas ao comportamento de cuidados desapareceram, assim como a diferença nas respostas a medo e estresse nos adultos. Isto demonstra que o comportamento de lamber e cuidar do camundongo fêmea produz mudanças epigenéticas na cromatina dos descendentes, que provoca diferenças duradouras no seu comportamento. Rolva o
Problema 28
Efeitos epigenéticos do estresse precoce nos humanos. Eles descobriram que as que sofreram maus-tratos na infância tinham um grau maior de metilação do gene do receptor do glicocorticoide, um gene envolvido na resposta ao estresse, do que as que não sofreram maus-tratos. Embora o número de cérebros estudados fosse pequeno, o estudo sugere que o estresse na primeira infância pode de fato provocar modificações epigenéticas na estrutura da cromatina nos humanos.
Outros estudos demonstraram que a expressão gênica é afetada por experiência de vida precoce. Por exemplo, pesquisadores descobriram que crescer em um ambiente socioeconômico inferior antes dos 5 anos alterou a expressão de mais de 100 genes relacionados com a função imunológica dos adultos.
 Epigenética na cognição. Vários estudos de pesquisa demonstraram que anormalidades na metilação do DNA estão associadas a distúrbios de desenvolvimento e capacidade intelectual nos humanos. Esses achados levaram os pesquisadores a procurar por efeitos da estrutura da cromatina sobre o aprendizado, a memória e a capacidade cognitiva nos camundongos e ratos. Um estudo descobriu que treinar o camundongo a evitar estímulo adverso em uma localização específica reduzia metilação do DNA do gene Bdnf, que codifica um fator de crescimento que estimula o crescimento de conexões entre os neurônios. Quando desmetilado, o gene Bndf era mais ativo. Quando os pesquisadores injetaram nos cérebros dos camundongos um fármaco que inibia a desmetilação, a atividade do gene Bdnf era reduzida, e a memória dos camundongos sobre onde o estímulo adverso ocorria também reduziu.
Outro estudo descobriu que um fármaco que promovia a acetilação das proteínas histona melhorou o aprendizado e memória nos camundongos que tinham um distúrbio semelhante à doença de Alzheimer. A acetilação das histonas altera a estrutura da cromatina ao afrouxar a associação do DNA com as proteínas histona e estimulara transcrição de vários genes. Outros estudos descobriram que a acetilação da histona reduz com a idade nos camundongos, com expressão diminuída de genes relacionados com o aprendizado e a memória. Quando os pesquisadores injetaram em camundongos um fármaco inibidor da atividade da desacetilase, a acetilação das histonas aumentou, a transcrição dos genes envolvidos com a memória aumentou e a memória dos camundongos melhorou. Esses estudos sugerem que mudanças na estrutura da cromatina podem estar envolvidas com a memória e o aprendizado.
 
Efeitos epigenéticos transgeração sobre o metabolismo
Na introdução deste capítulo, discutimos como a dieta durante a infância pode ter efeitos na saúde que podem transmitidos para as futuras gerações. Esses tipos de estudos epidemiológicos nos humanos são apoiados por estudos laboratoriais de camundongos e ratos. Em um estudo, os pesquisadores alimentaram camundongos machos inbred (isogênicos, consanguíneos) com dieta normal (controle) ou hipoproteica. Eles cruzaram os machos de ambos os grupos com fêmeas do controle alimentadas com dieta normal. Os machos foram então separados das fêmeas e nunca mais tiveram contato com seus descendentes; sua única contribuição para os 
 descendentes foi um conjunto de genes transferidos pelos espermatozoides.
Os descendentes foram criados e seus níveis sanguíneos de lipídios e colesterol foram examinados. Os descendentes dos machos que receberam dieta hipoproteica exibiam expressão aumentada de genes envolvidos no metabolismo de lipídios e colesterol e correspondente redução dos níveis de colesterol, comparados com os descendentes dos machos que receberam dieta normal. Eles também observaram numerosas diferenças na metilação do DNA nos descendentes dos dois tipos de genitores, embora não pudessem ser encontradas diferenças nos padrões de metilação dos espermatozoides dos dois grupos de genitores. Esses resultados sugerem que as mudanças epigenéticas alteraram o metabolismo de colesterol dos descendentes, embora não esteja claro como as diferenças na metilação foram transmitidas dos genitores para os descendentes.
Inativação do X
Nas fêmeas dos mamíferos, um cromossomo X em cada célula é aleatoriamente inativado para fornecer uma expressão igual dos genes ligados ao X nos machos e fêmeas. Por esse processo, chamado de inativação do X, muitos genes no cromossomo X inativado são silenciados de forma permanente e não são transcritos. Depois que um cromossomo X é inativado em uma célula, ele permanece inativado quando o DNA é replicado, e a marca da inativação é transmitida para as células-filhas durante a mitose. Esse fenômeno é responsável pela distribuição desigual de pigmento preto e laranja observada nos gatos com pelagem tricolor ou casco de tartaruga. A inativação do X é um tipo de efeito epigenético porque ele resulta em uma mudança estável na expressão gênica que é transmitida para as outras células. Grande parte da pesquisa demonstrou que qual cromossomo X é inativado dentro de uma célula é controlado por um segmento específico do cromossomo X chamado de centro de inativação do X.
O ator principal na inativação do X é um gene chamado Xist (transcrito específico de inativação do X) que codifica um longo RNA não codificador (lncRNA), essa molécula de RNA não codifica proteína. Pelo contrário, o lncRNA do Xist recobre o cromossomo X de onde ele foi transcrito. O lncRNA Xist então atrai o complexo repressor polycomb 2 (PRC2) e, consequentemente, o complexo repressor polycomb 1 (PRC1). Essas proteínas produzem marcadores epigenéticos, como a trimetilação da lisina 27 da histona 3 (H3K27me3), e outras modificações de histona que reprimem a transcrição. Consequentemente, muitos dinucleotídios CpG são metilados, levando ao permanente silenciamento do cromossomo X inativado.
Alterações epigenéticas associadas à diferenciação celular
Todas as células do corpo humano são geneticamente idênticas, ainda assim, diferentes tipos de células exibem incríveis fenótipos diferentes; uma célula nervosa é bem diferente em tamanho, formato e função de uma célula intestinal. Essas diferenças nos fenótipos são estáveis e transmitidas de uma célula para outra, apesar do fato de que as sequências de DNA de todas as células são as mesmas.
As mudanças na metilação do DNA e na estrutura de cromatina são importantes para silenciar alguns genes e ativar outros.
Os pesquisadores estão procurando há muito tempo a capacidade de induzir as células somáticas adultas em se desdiferenciar e reverter em células tronco. Tais células são chamadas de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs). Atualmente os pesquisadores conseguiram criar iPSCs graças ao tratamento de fibroblastos (células do tecido conjuntivo humano totalmente diferenciadas) em cultura com um coquetel de fatores de transcrição (Figura 21.9), embora menos de 1% das células tratadas reverta para iPSCs. Os fatores de transcrição que induzem a pluripotência provocam substancial reprogramação epigenética, alterando os padrões de metilação de DNA e modificações de histona que se acumulam com a diferenciação celular. 
Todavia, a pesquisa recente mostrou que as iPSCs retêm memória de seu passado e não são completamente equivalentes às células-tronco embrionárias (aquelas coletadas de embriões). Um estudo descobriu que, embora os padrões de metilação do DNA de iPSCs sejam muito diferentes dos padrões das células somáticas, as iPSCs conservam algumas marcas de metilação das células somáticas e que a metilação das iPSCs não era idêntica à metilação das células-tronco embrionárias.